CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI
3.4. Tính toán thiết kế các hạng mục công trình cho phương án được chọn
3.4.1. Tính toán song chắn rác:
Bề rộng khe hở giữa các song chắn rác (mm) thường lấy bằng 16 ÷ 25 mm,chọn b =20 mm = 0,02 m ( theo Giao trình tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải của
Trịnh Xuân Lai )
Góc nghiêng α =600 ( α = 600 - 900 )
Vận tốc trung bình qua các khe: 𝑉𝑠 = 0,8 m/s Chiều dày thanh song chắn rác: 8 mm
Song chắn rác
- Số khe hở của song chắn rác được tính :
𝑛 = 𝑄𝑚𝑎𝑥
Trong đó: n: Số khe hở
𝑄𝑚𝑎𝑥ℎ : Lưu lượng lớn nhất của dòng thải (m³/h)
b: Khoảng cách giữa các thanh chắn, chọn b = 20mm (thường lấy b = 16÷25mm)
𝑘0: Hệ số tính đến độ thu hẹp của dòng chảy, thường lấy 𝑘0 = 1,05 ( theo Giao trình tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải của Trịnh Xuân Lai )
ℎ1: Chiều sâu mực nước qua song chắn (m), thường lấy bằng chiều sâu mực nước trong cống dẫn, chọn ℎ1 = 0,05 𝑚
𝑉𝑚𝑎𝑥: Tốc độ nước chảy qua song chắn ứng với lưu lượng lớn nhất, thường lấy bằng 0,8 ÷ 1 m/s, chọn 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 0,8 m/s. => 𝑛 = 𝑄𝑚𝑎𝑥 ℎ 𝑉𝑚𝑎𝑥 × 𝑏 × ℎ1 × 𝑘0 = 10,5 0,8 × 0,02 × 0,05 × 3600× 1,05 = 5,69
Chọn n = 6 khe, số song chắn là 7 song.
- Chiều rộng máng đặt song chắn rác được tính :
𝐵𝑠 = 𝑠 × (𝑛 − 1) + (𝑏 × 𝑛)
Trong đó : n : Số khe hở
s : Bề dày của thanh song chắn, s = 8÷10 mm. Thường lấy s = 8mm = 0,008m
=> 𝐵𝑠 = 𝑠 × (𝑛 − 1) + (𝑏 × 𝑛) = 0,008 × (6 − 1) + (0,02 × 6) = 0,16 m Chọn 𝐵𝑠 = 0,2 (m)
- Tổn thất áp lực qua song chắn rác : ℎ𝑠 =𝜉×𝑉𝑚𝑎𝑥2
2𝑔 × 𝑘
Trong đó :
𝑉𝑚𝑎𝑥 : Tốc độ nước chảy qua song chắn ứng với lưu lượng lớn nhất. 𝑉𝑚𝑎𝑥= 1m/s g: Gia tốc trọng trường (m/s²)
k: Hệ số tính đến sự tăng tổn thất do song chắn bị bịt kín bởi rác thải, thường lấy k= 2 ÷ 3. Chọn k = 3 ( theo Giao trình tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải của Trịnh Xuân Lai )
ξ: Hệ số tổn thất cục bộ tại song chắn rác phụ thuộc vào tiết diện thanh song chắn được tính bởi: 𝜉 = 𝛽 × (𝑠
𝑏)4⁄3 𝑠𝑖𝑛𝛼
Với 𝛽: Hệ số lấy phụ thuộc vào hình dạng của thanh chắn. Chọn thanh tiết diện hình chữ nhật, 𝛽 = 2,42 𝛼: Góc nghiêng song chắn rác, 𝛼 = 60º => ξ = 2,42 × (0,008 0,02 ) 4 3 ⁄ 𝑠𝑖𝑛60° = 0,62 => ℎ𝑠 =0,62 × 0,8 2 2 × 9,81 × 3 = 0,064(m𝐻2𝑂)
Chiều dài đoan kênh mở rộng trước song chắn: L = 𝐵𝑠− 𝐵𝑘
2𝑡𝑔𝜑.
Trong đó:
𝜑 = 200
𝐵𝑘:Chiều rộng của ông dẫn nước thải vào, chọn 𝐵𝑘= 0,09 m
𝐿 = 0,2−0,09
2𝑡𝑔200 = 0,15𝑚. Chọn L=0,15(m)
- Chiều dài đoạn thu hẹp sau song chắn:
𝐿2 = 0,5 × 𝐿1 = 0,5 × 0,15 = 0,075 (𝑚)
Chiều dài đoạn thu hẹp sau song chắn rác:𝐿 = 𝐿1+ 𝐿2+ 𝐿𝑠
𝐿𝑠: chiều dài đặt buồng song chắn, 𝐿𝑠 không nhỏ hơn 1.,chọn 𝐿𝑠 = 1,4
→Vậy 𝐿 = 0,15 + 0,075 + 1,4 = 1,625 (𝑚)
- Chiều sâu xây dựng của mương đặt song chắn rác:
𝐻𝑥𝑑 = ℎ𝑚𝑎𝑥 + ℎ𝑠+ 0,5
Trong đó: ℎ𝑚𝑎𝑥: độ đầy ứng với chế độ 𝑄𝑚𝑎𝑥 ∶ ℎ𝑚𝑎𝑥 = ℎ1 = 0,1𝑚 ℎ𝑠: Tổn thất áp lực qua song chắn rác.
0,5: Khoảng cách giữa cốt sàn đặt song chắn rác và mực nước cao nhất
Bảng 3.5: Thông số thiết kế song chắn rác
STT Thông số thiết kế Đơn vị Gía trị
1 Chiều rộng, 𝐵𝑠 m 0,2
2 Chiều dài, L m 1,625
3 Chiều cao, 𝐻𝑥𝑑 m 0,67
4 Số khe hở, n khe 6
5 Số thanh SCR thanh 7
6 Chiều rộng mỗi khe mm 20
7 Bề rộng mỗi thanh mm 8
8 Tổn thất áp lực, ℎ𝑠 𝑚𝐻2𝑂 0,064
3.4.2. Hố thu
Vật liệu xây dựng: Bê tông cốt thép, thành hố dày 20cm. Thời gian lưu nước trong bể hố thu từ 1 – 3 giờ.
Chọn thời gian lưu nước là t = 70 phút. ( theo Giao trình tính toán thiết kế các công
trình xử lý nước thải của Trịnh Xuân Lai )
- Thể tích bể thu gom:
V = Qmaxh × t = 10,5 ×70
60= 18 (m³)
Chọn chiều cao hữu ích h = 3.3 m, chiều cao bảo vệ ℎ𝑏𝑣 = 0,5m. Vậy chiều cao tổng cộng: H = h + ℎ𝑏𝑣 = 3.3 + 0,5 = 3,8 (m) Diện tích mặt bằng: 𝑆 =𝑉 ℎ = 18 3.8 = 4.8 (m2) Chiều dài: L = 1.5 m Chiều rộng: B = 3 m
Vậy thể tích xây dựng bể thu gom là: V = 1.5 ×3 × 3.8 = 22,5 (m³)
Chọn vật liệu xây dựng bể là bê tông cốt thép, thành bể dày 200mm. Đáy bể được đổ một lớp bê tông lót dày 200mm, lớp trên là bê tông cốt thép dày 200mm.
- Tính toán bơm dùng trong bể hố thu:
Thiết kế 2 bơm hoạt động luân phiên, dùng để bơm nước sang bể điều hòa. Lưu lượng bơm 𝑄𝑚𝑎𝑥ℎ = 10,5 m³/h
Thiết kế ống dẫn nước thải PVC có đường kính: 100 mm, chiều dày ống 3,2 mm, đường ống dài 10m.
Vận tốc nước trong ống: V = 4×Qmaxh
π×D2 =4×10.5
π×0,12 = 1,99 x 103 m/h = 0,55 m/s
Từ định luật Bernulli, xác định cột áp của bơm: 𝐻 = 𝐻1+ 𝐻2+ 𝐻3
Trong đó:
𝐻1 : Cột áp hình học, H1 = Z1+ Z2 𝑍1 : Chiều cao ống đẩy 𝑍1 = 8m
𝑍2 : Chiều cao ống hút, 𝑍2 = 0m
𝐻2 : Cột áp khắc phục sự chênh lệch cột áp ở 2 đầu đoạn ống
H2 =P2− P1 ρ − g 𝑃1 : Áp suất dòng chảy khi vào máy bơm
𝑃2 : Áp suất dòng chảy khi ra máy bơm
P1 = P2 => H2 = 0 𝐻3: tổn thất cục bộ trên đường ống, H3 =(λ×
L
D+∑ ξ)×v2 2g
Với: L, D: chiều dài và đường kính ống λ: Hệ số ma sát λ = 0,0159 D0,226 × (1 +0,684 v )0,226 = 0,0159 0,10,226× (1 +0,684 0,5 )0,226 = 0,027 (m) ∑ 𝜉 : Tổng tổn thất cục bộ, ∑ 𝜉 = 7,15 H3 =(λ× L D+∑ ξ)×v2 2g =(0,027× 10 0,2+7,15)×0,52 2×9,81 = 0,11 (m) Cột áp của bơm: H = H1+ H2+ H3 = 8 + 0 + 0,11 = 8,11 (m) - Công suất của bơm:
N = Q×H×ρ×g
1000×n =15,63×8,11×1000×9,81
1000×0,8×3600 = 0,45 kW
Trong đó:
𝜌: khối lượng riêng của nước n: hiệu suất của máy bơm
Chọn 2 bơm hoạt động luân phiên có lưu lượng Qmax = Qmaxh = 10.5 m³/h, công suất 0,45 kW, cột áp H = 8m.
CBOD5 giảm 5% sau khi qua SCR và hố thu:
𝐶𝐵𝑂𝐷5 = 500. (100 − 5)% = 475 mg/l
CCOD giảm 5% sau khi qua SCR và hố thu:
𝐶𝐶𝑂𝐷 = 900. (100 − 5)% = 855 mg/l
CTSS giảm 4% sau khi qua SCR và hố thu :
𝐶𝑇𝑆𝑆 = 650. (100 − 4)% = 624 mg/l
Bảng 3.6: Thông số thiết kế bể hố thu
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Chiều cao xây dựng bể m 3.8
2 Chiều dài bể m 1.5
3 Chiều rộng bể m 3
4 Thể tích xây dựng bể m³ 22,5
5 Thời gian lưu h 1,16
Hiệu quả xử lý
Thông số Hiệu suất xử lý Đầu vào Đầu ra
BOD5 5% 500 mg/l 475 mg/l
COD 5% 900 mg/l 855 mg/l
Hình 3.4: Mặt cắt hố thu
3.4.3. Bể điều hòa
Bể điều hòa lưu lượng và nồng độ cấu tạo hình hộp chữ nhật,được xây dựng bằng vật liệu bê tông cốt thép. Bên trong bể điều hòa được thiết kế hệ thống phân phối khí,các máy nén khí cung cấp oxy vào trong nước thỉa hệ thống phân phối khí gồm một ống dẫn khi được chia làm nhiều ống nhánh đặt theo chiều dài của bể.
- Tính toán kích thước bể
Thể tích bể điều hòa 𝑉 = 𝑄 𝑚𝑎𝑥ℎ × 𝑡 (𝑚3) Trong đó:
𝑄 𝑚𝑎𝑥ℎ : Lựu lượng nước thải lớn nhất 𝑄 𝑚𝑎𝑥ℎ = 10,5 𝑚3/h
t: thời gian lưu của nước thải trong bể, chọn t = 5,5h ( theo Giao trình tính toán thiết
kế các công trình xử lý nước thải của Trịnh Xuân Lai )
Thể tích bể điều hòa là V = 10,5 × 5,5 = 54,7 𝑚3. Chon V = 55 m3
Lựa chọn chiều cao hữu ích của bể là h = 3,4 m Chiều cao bảo vệ Hbv = 0,4 m
Chiều cao tổng cộng là: H = 3,4 + 0,5 = 3,8 m Diện tích mặt bằng: 𝑆 =𝑉
ℎ = 55
3,3 = 16,68 (m2)
Lựa chọn xây dụng chiều dài bể L = 5,56 m, chiều rộng B = 3 m. Thể tích thực của bể điều hòa : L × B × H =5,56 × 3 × 3,8 = 63,384 𝑚3
Lưu lượng khí cần cấp cho bể điều hòa (𝑚3/ℎ)
𝑄𝑘𝑘 = 𝑞𝑘𝑘 × 𝑉
Trong đó: 𝑄𝑘𝑘 là lưu lượng khí cung cấp cho bể điều hòa (𝑚3/ℎ)
𝑞𝑘𝑘 tốc độ cấp khí cho về điều hòa,v = 0,01 ÷ 0,015 𝑚3/𝑚3. 𝑝ℎú𝑡
Chọn 𝑞𝑘𝑘 = 0.015 𝑚3/𝑚3. 𝑝ℎú𝑡
V: dung tích bể điều hòa
𝑄𝑘𝑘 = 0,015 × 60 × 63,384 = 57,05 (𝑚3/h) Chọn Qkk = 58 (𝑚3/h)
Không khí được cấp vào bể điều hòa để tăng khả năng khuấy trộn và duy trì nồng độ oxi trong bể. Không khí được máy nén đưa vào bể, hệ thống phân phối khí dạng đục lỗ. Đặt ống dọc theo chiều dài bể và nằm trên các tấm đỡ cách đáy 5cm
Chọn hệ thống cấp khí là ống có lỗ khoan,hệ thống gồm một ống chính đặt dọc theo chiều dài,chiều dài ống chính là 5m và 5 ống nhánh chạy dọc theo chiều rộng của bể chiều dài mỗi ống nhánh là 2m, đặt cách nhau 1m ở mỗi phía theo chiều rộng bể đặt ống cách tường 0.5m
Đường kính ống phân phối khí chính là: 𝐷𝑐 = √ 4×𝑄𝑘𝑘
𝜋×𝑣ô×3600
Trong đó:
𝐷𝑐 = √𝜋×𝑣4×𝑄𝑘𝑘 ô ×3600 = √ 4×58 𝜋×10 ×3600 =0,045 (m) Chọn ống dẫn khí 𝐷𝑐 = 60mm Kiểm tra vận tốc khí ống chính: 𝑣 = 4 × 𝑄𝑘𝑘 𝜋 ×3600 × 𝐷𝑐 = 4 ×58 𝜋 ×3600 ×0,062 = 5,7(m/s)
Đường kính ông nhánh dẫn khí vào bể điều hòa: 𝐷𝑛 = √ 4 × 𝑞ô
𝜋 × 𝑉0 ×3600
Trong đó: 𝑞ôlưu lượng khí trong mỗi ống.Được tính thoe công thức: Lượng khí qua mỗi nhánh: 𝑄ô = 𝑄𝑘𝑘
5 = 58
5 = 11,6 𝑚3/ℎ
→𝐷𝑛 = √ 4 × 11,6
𝜋 × 10 ×3600 = 0,02𝑚
Chọn đường kính ống nhánh là 48 mm
- Đường kính các lỗ phân phối khí vào bể điều hòa:𝑑𝑙ỗ = 2-5 mm →𝑑𝑙ỗ = 3 mm
- Vận tốc khí qua lỗ phân phối khí: 𝑉𝑙ỗ= 15-20 (m/s) →Chọn :𝑉𝑙ỗ = 15 m/s
- Lưu lượng khí qua lỗ phân phối khí: :𝑞𝑙ỗ = 𝑉𝑙ỗ × 𝜋 × 𝑑2
4 × 3600 → 𝑞𝑙ỗ = 15 ×3,14 ×0,0032 4 × 3600 = 0,38 (𝑚3/h) - Số lỗ trên 1 ống là: 𝑁 = 𝑞ô 𝑞𝑙ỗ = 11,6 0,38 = 30 (lỗ) - Số lỗ trên 1m dài ống là 𝑛 = 𝑁 𝐿 = 31 5 = 6 (lỗ) - Chọn số lỗ trên 1m ống là 6 lỗ
- Tính toán máy thổi khí trong bể điều hòa Công suất: 𝑁𝑏 = 1,2 × 𝑁 (Kw/h)
Trong đó:
𝑁𝑏 = 34400 × ( 𝑝
0.29− 1 ) × 𝑞𝑘 102 × 𝜂
Với 𝑞𝑘: lưu lượng khí cung cấp
p: áp lực của khí nén: 𝑝 =(10,33+ 𝐻𝑑) 10,33
Với 𝐻𝑑: áp lực cần thiết cho hệ thống khí nén được xác nhận theo công thức
𝐻𝑑 = ℎ𝑑+ ℎ𝑐+ ℎ𝑓+ 𝐻
Trong đó:
ℎ𝑑: tổn thất áp lực do ma sát dọc theo chiều dài ống dẫn (m)
ℎ𝑐: tổn thất cục bộ của ống phấn phối khí
Tổn thất + không vượt quá 0,4m. chọn ℎ𝑑+ ℎ𝑐 = 0,2
ℎ𝑓:tổn thất qua thiết bị phân phối không vượt quá 0,5m.chon ℎ𝑓= 0,3m H: chiều cao hữu ích H = 3,3m
→𝐻𝑑= ℎ𝑑+ ℎ𝑐 + ℎ𝑓+ 𝐻 = 0,2 + 0,3 + 3,3 = 3,8 𝑝 = (10,33+ 𝐻𝑑) 10,33 = (10,33+3,8 ) 10,33 = 1,36 (atm) 𝑁 = 344000 × (𝑝 0,29 − 1 ) × 𝑄𝑘 102 × 𝜂 = 34400 × (1,450,29 − 1 ) × 58 102 × 0,75 × 3600 = 0,67 (𝐾𝑤/ℎ)
Vậy công suất máy thổi khí :𝑁𝑏 = 1,2 × N = 1,2 × 0,67 = 0,8 ( kw/h)
Do quá trình khuấy trộn để cân bằng nồng độ và ngăn cặn lắng sẽ xảy ra các phản ứng oxy hóa khử và làm giảm hàm lượng BOD do bay hơi và oxy hóa bằng không khí. Nước thải sau khi qua bể điều hòa làm lượng BOD,COD giảm khoảng 10%, 𝑁𝐻4+ giảm 5%
Vậy khi đi qua bể điều hòa, hàm lượng các chất ô nhiễm như sau: (theo Giao trình
tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải của Trịnh Xuân Lai )
BOD5 = 475 x (100% - 10%) = 427,5 mg/l COD = 855 x (100% - 10%) = 769,5 mg/l NH4+ = 133 x (100% - 5%) = 126,35 mg/l
Bảng 3.7: Thông số thiết kế bể điều hòa
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Thể tích bể điều hòa (V) 𝑚3 63,384
2 Chiều cao hữu ích (H) m 3,4
4 Chiều dài (L) m 5,56
5 Chiều rộng (B) m 3
6 Chiều cao tổng cộng (h) m 3,8
7 Lưu lượng không khí cần thiết cấp vào bể điều hòa (𝑄𝑘𝑘)
𝑚3/ℎ 58
8 Số ống phân phối trong bể ống 5
9 Số đĩa phân phối khí cái 15
10 Số lỗ trên một ống (N) lỗ 30
Hiệu quả xử lý
Thông số Hiệu suất xử lý Đầu vào Đầu ra
BOD5 10% 475 mg/l 427,5 mg/l
COD 10% 855 mg/l 769,5 mg/l
3.4.4. Bể thiếu khí (Bể anoxic)
Tính toán kích thước bể
Theo Metcalf and Eddy, 2003, “Wastewater Engineering Treatment and Reus”: Tổng
lượng nước vào và hỗn hợp lỏng tuần hoàn vào bể Anoxic gấp 2 – 4 lần lượng nước đầu vào (chọn gấp 2 lần). Do đó, lưu lượng nước vào bể Anoxic là:
𝑄𝑡ℎ = 200% × 𝑄𝑡𝑏ℎ = 200%= 200% × 6,3 = 12,6 (𝑚3/h)
Thông số thiết kế thời gian lưu nước t = 5 – 10h. Chọn t = 5,2 h. ( theo Giáo trình
tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải của Trịnh Xuân Lai )
- Thể tích bể:
𝑉 = 𝑄𝑡ℎ × 𝑡 = 12,6 × 5,2 = 65,6 (𝑚3)
Chọn chiều cao bể là H = 3,4 m
Chiều cao bảo bề cua r bể là 𝐻𝑏𝑣 = 0,4 m
Chiều cao xây dựng bể là H = 3.4 + 0,4 = 3,8 m Diện tích mặt bằng bể là 𝑆 = 𝑉
𝐻=65,6
3,8 = 19,9 𝑚2
Chọn chiều dài bể là 5,56 m và chiều rộng bể là 3,58 m Vậy kích thước bể là L × B × H = 3,56 m × 3 m × 3,8 m
Thể tích thực của bể anoxic: 𝑊𝑡 = 3.56 × 3 × 3,8 = 40.58 (𝑚3)
- Máy bơm: chọn cột áp bơm H= 4 m
Công suất bơm: 𝑁 = 𝑄𝑝𝑔ℎ
1000𝜂 = 0,01×1000×9,81×8
1000×0,8 = 0,45(kw)
Trong đó: 𝜂 hiệu suất chung của máy bơm chọn 𝜂 = 0,8 - Đường kính ống dẫn nước thải:
𝐷 = √ 4 ×4,18
𝜋×1×3600 =0,038 m
Chọn đường ống Φ=39 mm, 2 máy bơm hoạt động luân phiên có công suất 0,45 kw Khi qua bể thiếu khí hàm lượng các chất còn được xử lý như sau:
BOD5 = 427,5 x (100% - 10%) = 384,75 mg/l COD = 769,5 x (100% - 10%) = 692,55 mg/l NH4+ = 126,35 x (100% – 80%) = 25,27 mg/l
Bảng 3.8: Thông số thiết kế bể anoxic
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Thời gian lưu nước h 5,2
2 Chiều dài m 3,56
3 Chiều rộng m 3
4 Chiều cao xây dựng m 3,8
5 Thể tích bể xây dựng m3 40.58
HIệu quả xử lý
Thông số Hiệu suất xử lý Đầu vào Đầu ra
BOD5 10% 427,5 mg/l 384,75 mg/l
COD 10% 769,5 mg/l 692,55 mg/l
3.4.5. Bể hiếu khí (Aerotank)
Các thông số vận hành: + Cặn hữu cơ a = 75% + Độ tro z = 0,3
+ Lượng bùn hoạt tính trong nước thải đầu vào Xo =0
+ Nồng độ bùn hoạt tính X = 2500 – 4000 mg/l, chọn X= 3000 mg/l + Hệ số chuyển đổi giữa BOD5 và BOD20 là 0,68
+ Nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn là XT = 8000 mg/l + Chế độ xáo trộn hoàn toàn
+ Thời gian lưu bùn trong bể Aerotank là θ = 5 – 15 ngày, chọn θ = 10 ngày + Hệ số phân hủy nội bào Kd = 0,02 – 0,1 ngày-1, Chọn Kd = 0,06 ngày-1
+ Hệ số sản lượng bùn tối đa (tỷ số giữa lượng tế bào được tạo thành với lượng cơ chất bị tiêu thụ) Y = 0,4 − 0,8 mgVSS
mgBOD5, chọn Y = 0,6 mgVSS
mgBOD5
+ Thành phần dinh dưỡng theo tỉ lệ BOD : N : P=100:5:1 Lượng BOD5 cần khử là: 384,75 – 30=354,75 mg/l Lượng nito cần khử là: 𝑁 =25,27
100 = 0,2527 mg/l Lượng nitơ dư là: 25,27 – 0,2527 = 25,0173 mg/l
Nước thải đầu vào đã đủ dinh dưỡng và pH thích hợp điều kiện xử lý sinh học. Chọn thiết bị xử lý sinh học hiếu khí nước thải là loại bể aerotank thông khí theo